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Os sólidos celulares são materiais compostos por muitas células que foram compactadas, como um favo de mel. A forma dessas células determina em grande parte as propriedades mecânicas do material, incluindo a sua rigidez ou resistência. Os ossos, por exemplo, são preenchidos com um material natural que lhes permite ser leves, mas rígidos e fortes.
Inspirados nos ossos e outros sólidos celulares encontrados na natureza, os humanos usaram o mesmo conceito para desenvolver materiais arquitetados. Ao alterar a geometria das células unitárias que compõem esses materiais, os pesquisadores podem personalizar as propriedades mecânicas, térmicas ou acústicas do material. Os materiais arquitetônicos são usados em muitas aplicações, desde espuma de embalagem com absorção de choque até radiadores reguladores de calor.
Usando o kirigami, a antiga arte japonesa de dobrar e cortar papel, os pesquisadores do MIT fabricaram agora um tipo de material arquitetado de alto desempenho conhecido como treliça de placas, em uma escala muito maior do que os cientistas conseguiram anteriormente por fabricação aditiva. Esta técnica permite-lhes criar estas estruturas a partir de metal ou outros materiais com formas personalizadas e propriedades mecânicas especificamente adaptadas.
“Este material é como a cortiça de aço. É mais leve que a cortiça, mas com elevada resistência e elevada rigidez”, afirma o professor Neil Gershenfeld, que lidera o Centro de Bits e Átomos (CBA) do MIT e é autor sénior de um novo artigo sobre esta abordagem.
Os pesquisadores desenvolveram um processo de construção modular no qual muitos componentes menores são formados, dobrados e montados em formas 3D. Usando esse método, eles fabricaram estruturas e robôs ultraleves e ultrafortes que, sob uma carga específica, podem se transformar e manter sua forma.
Como essas estruturas são leves, mas fortes, rígidas e relativamente fáceis de produzir em massa em escalas maiores, elas podem ser especialmente úteis em componentes arquitetônicos, de aviões, automotivos ou aeroespaciais.
Juntando-se a Gershenfeld no artigo estão os co-autores principais Alfonso Parra Rubio, assistente de pesquisa no CBA, e Klara Mundilova, estudante de pós-graduação em engenharia elétrica e ciência da computação do MIT; junto com David Preiss, aluno de pós-graduação do CBA; e Erik D. Demaine, professor de ciência da computação do MIT. A pesquisa será apresentada na Conferência de Computadores e Informação em Engenharia da ASME.
Fabricação dobrando
Materiais arquitetados, como treliças, são frequentemente usados como núcleos para um tipo de material compósito conhecido como estrutura sanduíche. Para imaginar uma estrutura sanduíche, pense em uma asa de avião, onde uma série de vigas diagonais que se cruzam formam um núcleo de treliça que fica imprensado entre um painel superior e um painel inferior. Esta treliça tem alta rigidez e resistência, mas é muito leve.
As redes de placas são estruturas celulares feitas de interseções tridimensionais de placas, em vez de vigas. Estas estruturas de alto desempenho são ainda mais fortes e rígidas do que as treliças, mas a sua forma complexa torna-as difíceis de fabricar utilizando técnicas comuns como a impressão 3D, especialmente para aplicações de engenharia em grande escala.
Os pesquisadores do MIT superaram esses desafios de fabricação usando o kirigami, uma técnica para criar formas 3D dobrando e cortando papel cuja história remonta aos artistas japoneses do século VII.
Kirigami tem sido usado para produzir treliças de placas a partir de vincos em zigue-zague parcialmente dobrados. Mas para fazer uma estrutura em sanduíche, é necessário fixar placas planas na parte superior e inferior deste núcleo corrugado nos pontos estreitos formados pelos vincos em zigue-zague. Isso geralmente requer adesivos fortes ou técnicas de soldagem que podem tornar a montagem lenta, cara e difícil de dimensionar.
Os pesquisadores do MIT modificaram um padrão comum de vinco de origami, conhecido como padrão Miura-ori, de modo que as pontas afiadas da estrutura ondulada sejam transformadas em facetas. As facetas, como as do diamante, proporcionam superfícies planas às quais as placas podem ser fixadas mais facilmente, com parafusos ou rebites.
“As treliças de placas superam as treliças de vigas em resistência e rigidez, mantendo o mesmo peso e estrutura interna”, diz Parra Rubio. “Atingir o limite superior do HS para rigidez e resistência teóricas foi demonstrado através da produção em nanoescala usando litografia de dois fótons. A construção de redes de placas tem sido tão difícil que tem havido pouca pesquisa em escala macro. Acreditamos que dobrar é um caminho para uma utilização mais fácil deste tipo de estrutura de placas feitas de metais.”
Propriedades personalizáveis
Além disso, a forma como os pesquisadores projetam, dobram e cortam o padrão permite-lhes ajustar certas propriedades mecânicas, como rigidez, resistência e módulo de flexão (a tendência de um material resistir à flexão). Eles codificam essas informações, bem como a forma 3D, em um mapa de vincos que é usado para criar essas ondulações de kirigami.
Por exemplo, com base na forma como as dobras são projetadas, algumas células podem ser moldadas para manterem sua forma quando comprimidas, enquanto outras podem ser modificadas para dobrarem. Dessa forma, os pesquisadores podem controlar com precisão como diferentes áreas da estrutura se deformarão quando comprimidas.
Como a flexibilidade da estrutura pode ser controlada, essas ondulações podem ser usadas em robôs ou outras aplicações dinâmicas com peças que se movem, torcem e dobram.
Para criar estruturas maiores, como robôs, os pesquisadores introduziram um processo de montagem modular. Eles produzem em massa padrões de vincos menores e os montam em estruturas 3D ultraleves e ultrafortes. Estruturas menores apresentam menos vincos, o que simplifica o processo de fabricação.
Usando o padrão Miura-ori adaptado, os pesquisadores criam um padrão de vinco que produzirá a forma e as propriedades estruturais desejadas. Em seguida, eles utilizam uma máquina exclusiva – uma mesa de corte Zund – para marcar um painel plano de metal que dobram no formato 3D.
“Para fabricar coisas como carros e aviões, é necessário um enorme investimento em ferramentas. Este processo de fabricação não requer ferramentas, como a impressão 3D. Mas, ao contrário da impressão 3D, nosso processo pode definir o limite para registrar propriedades de materiais”, diz Gershenfeld.
Usando seu método, eles produziram estruturas de alumínio com resistência à compressão de mais de 62 quilonewtons, mas pesando apenas 90 quilogramas por metro quadrado. (A cortiça pesa cerca de 100 quilogramas por metro quadrado.) As suas estruturas eram tão fortes que podiam suportar três vezes mais força que uma típica corrugação de alumínio.
A técnica versátil pode ser usada para muitos materiais, como aço e compósitos, tornando-a adequada para a produção de componentes leves e com absorção de choque para aviões, automóveis ou naves espaciais.
No entanto, os pesquisadores descobriram que seu método pode ser difícil de modelar. Portanto, no futuro, eles planejam desenvolver ferramentas de design CAD fáceis de usar para essas estruturas treliçadas de placas de kirigami. Além disso, eles querem explorar métodos para reduzir os custos computacionais de simulação de um projeto que produza as propriedades desejadas.
Parra Rubio, Mundilova e outros estudantes de pós-graduação do MIT também usaram essa técnica para criar três obras de arte dobradas em grande escala a partir de compostos de alumínio que estão em exibição no MIT Media Lab. Apesar de cada obra ter vários metros de comprimento, as estruturas levaram apenas algumas horas para serem fabricadas.
“No final das contas, a obra artística só é possível por causa das contribuições matemáticas e de engenharia que mostramos em nossos artigos. Mas não queremos ignorar o poder estético do nosso trabalho”, diz Parra Rubio.
Este trabalho foi financiado, em parte, pelo Center for Bits and Atoms Research Consortia, uma bolsa internacional da AAUW e uma bolsa GWI Fay Weber.
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